JPWO2014136614A1 - Method for forming semiconductor thin film - Google Patents

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昌志 黒澤
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鎭明 財満
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浩 池上
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Abstract

本開示の半導体薄膜の形成方法は、基板の上に、Ge、Si、およびSiGe混合物のうちのいずれかと、0.1at%以上、20at%以下のSnとを含有する薄膜を成膜することと、前記薄膜にパルスレーザ光を照射することとを含んでもよい。A method for forming a semiconductor thin film according to the present disclosure includes forming a thin film containing any one of Ge, Si, and a SiGe mixture and Sn at 0.1 at% or more and 20 at% or less on a substrate. Irradiating the thin film with pulsed laser light.

Description

本開示は、半導体薄膜の形成方法に関する。   The present disclosure relates to a method for forming a semiconductor thin film.

半導体薄膜は,大規模集積回路やフラットパネルディスプレイの基本素子であるトランジスタのチャネル材料のみならず、太陽電池セルの光吸収材料に至るまで非常に多くの電気電子デバイスに用いられている。現在、これら電気電子デバイスの主たる材料は、IV族半導体であり、特にその中でもシリコン(Si)が主流である。これまで、Si等を用いた半導体においては、デバイス構造の工夫(微細化、表面テクスチャ等)により、デバイス性能向上を達成し続けてきた。しかしながら、Si自身の物性値(キャリア移動度、光吸収係数)に依存した限界値に近づいており、Si以外の半導体材料の材料開発が盛んに行われ始めている。その一例として、III−V族半導体、酸化物半導体や有機物半導体等が挙げられるが、トランジスタや太陽電池動作の信頼性(P型/N型ドーピング制御、しきい値電圧制御等)の観点からは、依然として、半導体材料としては、Siが圧倒的な優位性を保っている。   Semiconductor thin films are used not only for transistor channel materials, which are basic elements of large-scale integrated circuits and flat panel displays, but also for a large number of electrical and electronic devices ranging from light absorption materials for solar cells. At present, the main material of these electric and electronic devices is a group IV semiconductor, and silicon (Si) is the mainstream among them. Until now, in semiconductors using Si or the like, device performance has been improved by improving the device structure (miniaturization, surface texture, etc.). However, it is approaching the limit values depending on the physical properties (carrier mobility, light absorption coefficient) of Si itself, and material development of semiconductor materials other than Si has begun actively. Examples include III-V semiconductors, oxide semiconductors, organic semiconductors, etc., but from the viewpoint of reliability of transistor and solar cell operation (P-type / N-type doping control, threshold voltage control, etc.). As a semiconductor material, Si still has an overwhelming advantage.

以上の背景より、Siに置き換わる新材料として近年有望視されているのが、Siと同じIV族元素であるゲルマニウム(Ge)である。GeはSiに比べて、高いキャリア(電子および正孔)移動度を有しており、大きな光吸収係数を有しているといった特徴を有している。そのため、Geをチャネル材料に用いたトランジスタの高速動作に関する実証実験が活発に行われている(例えば,非特許文献1、2)。   Based on the above background, germanium (Ge), which is the same group IV element as Si, has recently been regarded as a promising new material to replace Si. Ge has the characteristics that it has higher carrier (electron and hole) mobility than Si and has a large light absorption coefficient. For this reason, demonstration experiments regarding high-speed operation of transistors using Ge as a channel material have been actively conducted (for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

一方で、SiやGeと同じIV族元素である錫(Sn)を半導体薄膜に添加することも検討されている。非特許文献3に開示されている理論計算によれば、Sn添加をすることにより、IV族半導体の物性値(キャリア移動度、光吸収係数等)の飛躍的向上が見込まれている。実際に、発明者らは、Ge中へのSnを添加することにより、Ge特有の課題とされていた点欠陥密度を抑制することができる可能性を見出している(非特許文献4)。   On the other hand, addition of tin (Sn), which is the same group IV element as Si and Ge, is also under investigation. According to the theoretical calculation disclosed in Non-Patent Document 3, by adding Sn, a dramatic improvement in physical property values (carrier mobility, light absorption coefficient, etc.) of the group IV semiconductor is expected. In fact, the inventors have found that by adding Sn into Ge, it is possible to suppress the point defect density, which has been a problem peculiar to Ge (Non-Patent Document 4).

また、このようなIV族元素(Si、Ge、Sn)から構成されるSixGeySn11-x-y半導体の特長を最大限活用するためには、非晶質基板(ガラス、プラスチック等)上における結晶成長も重要である。非特許文献5においては、熱平衡状態における溶融成長法を用いることにより、非晶質(二酸化シリコン(SiO2))膜で被膜されたSi基板上において、横方向に0.1〜0.4%/μm%のSn濃度勾配を有するGeSn薄膜の成長が実現されている旨が開示されている。In order to take full advantage of the characteristics of Si x Ge y Sn 11-xy semiconductors composed of such group IV elements (Si, Ge, Sn), an amorphous substrate (glass, plastic, etc.) Crystal growth at is also important. In Non-Patent Document 5, by using the melt growth method in a thermal equilibrium state, 0.1 to 0.4% in the lateral direction on a Si substrate coated with an amorphous (silicon dioxide (SiO 2 )) film. It is disclosed that the growth of a GeSn thin film having a Sn concentration gradient of / μm% has been realized.

また、熱耐性の低いガラス基板上へ膜形成するため、低温プロセス、具体的には、500℃以下の温度における結晶成長も検討されている。非特許文献6においては、Ge薄膜へSnを0.2%〜2%添加することにより、固相成長温度が、Snが添加されていない場合と比べて、低温化できる旨が開示されている。また、非特許文献7においては、Sn−Geの非熱平衡状態における共晶反応を利用した熱処理(金属誘起固相成長)を施し、結晶化プロセス温度を200℃程度にまで低温化できる旨が開示されている。   In addition, in order to form a film on a glass substrate having low heat resistance, a low temperature process, specifically, crystal growth at a temperature of 500 ° C. or less is also being studied. Non-Patent Document 6 discloses that by adding 0.2% to 2% of Sn to a Ge thin film, the solid phase growth temperature can be lowered as compared with the case where Sn is not added. . Non-Patent Document 7 discloses that heat treatment (metal-induced solid phase growth) using a eutectic reaction in a non-thermal equilibrium state of Sn—Ge can be performed to lower the crystallization process temperature to about 200 ° C. Has been.

特開2007−109943号公報JP 2007-109943 A

K.Morii et al.,IEEE Electron Device Letters Vol.31,p.1092 (2010).K. Morii et al. , IEEE Electron Device Letters Vol. 31, p. 1092 (2010). C.H.Lee et al.,IEDM Technical Digest,San Francisco,USA,2010,p.417.C. H. Lee et al. IEDM Technical Digest, San Francisco, USA, 2010, p. 417. P.Moontragoon et al.,Semiconductor Science and Technology,Vol.22,No.7,p.742 (2007).P. Moontragoon et al. , Semiconductor Science and Technology, Vol. 22, no. 7, p. 742 (2007). O.Nakatsuka et al.,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.49,No.4,p.04DA10 (2010).O. Nakatsuka et al. , Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, No. 4, p. 04DA10 (2010). M.Kurosawa et al.,Applied Physics Letters,Vol. 101,No.9,p.091905 (2012).M. Kurosawa et al. , Applied Physics Letters, Vol. 101, no. 9, p. 091905 (2012). W.Takeuchi et al.,Extended Abstracts of the 2012 International Conference on Solid State Devices and Materials, Kyoto,2012,p.739.W. Takeuchi et al. , Extended Abstracts of the 2012 International Conference on Solid State Devices and Materials, Kyoto, 2012, p. 739. 黒澤ら、第73回応用物理学会学術講演会 講演予稿集、愛媛、2012、p.13-146.Kurosawa et al., 73rd Japan Society of Applied Physics Academic Lecture Proceedings, Ehime, 2012, p. 13-146.

概要Overview

しかしながら、一般的に、半導体薄膜の結晶性と熱処理温度はトレードオフの関係にあるため、低温による成膜により高品質な半導体薄膜を得ることは極めて困難である。例えば、非特許文献5に開示されている方法では、高品質なIV族半導体結晶を得ることができる一方で、Geが溶融する温度(938℃)以上での熱処理が必要とされるため、ガラス基板やPEN(Polyethylene naphthalate:ポリエチレンナフタレート)基板、PET(Polyethylene terephthalate:ポリエチレンテレフタレート)基板、PI(polyimide:ポリイミド)基板、PC(polycarbonate:ポリカーボネート)基板等の樹脂基板上に形成することはできない。   However, since the crystallinity of a semiconductor thin film and the heat treatment temperature are generally in a trade-off relationship, it is extremely difficult to obtain a high quality semiconductor thin film by film formation at a low temperature. For example, in the method disclosed in Non-Patent Document 5, a high-quality group IV semiconductor crystal can be obtained, but heat treatment at a temperature at which Ge is melted (938 ° C.) or higher is required. It cannot be formed on a resin substrate such as a substrate, a PEN (Polyethylene naphthalate) substrate, a PET (Polyethylene terephthalate) substrate, a PI (polyimide) substrate, or a PC (polycarbonate) substrate.

また、非特許文献6及び7に開示されている方法では、成膜温度が200℃〜500℃と比較的低温プロセスであるため、ガラス基板や樹脂基板への成膜が可能となるが、非特許文献5に開示されているような高品質な半導体薄膜を得ることは極めて困難である。   In the methods disclosed in Non-Patent Documents 6 and 7, since the film formation temperature is a relatively low temperature process of 200 ° C. to 500 ° C., film formation on a glass substrate or a resin substrate is possible. It is extremely difficult to obtain a high-quality semiconductor thin film as disclosed in Patent Document 5.

このような課題を解決するため、キャリア移動度が高く、かつ、表面平坦性に優れたGe、Si、SiGe混合体を含む半導体薄膜の形成方法が求められており、更には、これらの半導体薄膜をガラス基板やプラスチック基板等の熱耐性の低い基板にも形成することができる半導体薄膜の形成方法が求められている。   In order to solve such problems, there is a need for a method for forming a semiconductor thin film containing a mixture of Ge, Si, and SiGe having high carrier mobility and excellent surface flatness. There is a need for a method of forming a semiconductor thin film that can be formed on a substrate having low heat resistance such as a glass substrate or a plastic substrate.

本開示は、基板の上に、Ge、Si、およびSiGe混合物のうちのいずれかと、0.1at%以上、20at%以下のSnとを含有する薄膜を成膜することと、前記薄膜にパルスレーザ光を照射することとを含んでもよい。   The present disclosure includes forming a thin film containing any one of Ge, Si, and a SiGe mixture and Sn of 0.1 at% or more and 20 at% or less on a substrate, and applying a pulse laser to the thin film. Irradiating with light.

本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
本開示の半導体薄膜の形成方法の工程図 純水雰囲気中において本開示の半導体薄膜を形成するレーザ光照射装置の構造図 レーザフルエンスと結晶化率との相関図 レーザフルエンスと結晶粒径との相関図 レーザフルエンスと多結晶に含まれるSn組成との相関図 Ge薄膜に含まれるSnの組成及びレーザフルエンスと結晶状態との相関図(大気雰囲気中) Ge薄膜に含まれるSnの組成及びレーザフルエンスと結晶状態との相関図(純水雰囲気中)
Several embodiments of the present disclosure are described below by way of example only and with reference to the accompanying drawings.
Process drawing of method for forming semiconductor thin film of present disclosure Structural diagram of a laser beam irradiation apparatus for forming a semiconductor thin film of the present disclosure in a pure water atmosphere Correlation diagram between laser fluence and crystallization rate Correlation diagram between laser fluence and crystal grain size Correlation diagram between laser fluence and Sn composition in polycrystal Correlation diagram of Sn composition and laser fluence and crystal state in Ge thin film (in air) Correlation diagram between composition and laser fluence of Sn contained in Ge thin film and crystal state (in pure water atmosphere)

実施形態Embodiment

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示の一例を示し、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。尚、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Embodiment described below shows an example of this indication and does not limit the contents of this indication. In addition, all the configurations and operations described in the embodiments are not necessarily essential as the configurations and operations of the present disclosure. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted.

(半導体薄膜の形成方法)
図1に基づき、本実施の形態における半導体薄膜の形成方法について説明する。
(Method for forming semiconductor thin film)
A method for forming a semiconductor thin film in the present embodiment will be described with reference to FIG.

最初に、図1(a)に示されるように、基板10の上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)等により酸化シリコン膜11を形成し、酸化シリコン膜11の上に、Snが添加されたGe薄膜20aを成膜する。具体的には、基板10となるシリコン基板に酸化シリコン膜11が成膜されたものを化学洗浄した後、真空蒸着装置に設置し、基板温度を常温にして、Snが添加されたGe薄膜20aを成膜する。成膜方法は、真空蒸着以外にも、スパッタリング、化学気相成長等であってもよい。また、上記においては、基板10にシリコン基板を用いたが、基板10は、ガラス基板やPEN基板、PET基板、PI基板、PC基板等の樹脂基板を用いてもよい。また、酸化シリコン膜11に代えて、窒化シリコン(SiN)膜や酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜等を用いてもよい。   First, as shown in FIG. 1A, a silicon oxide film 11 is formed on a substrate 10 by CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like, and Ge to which Sn is added on the silicon oxide film 11 is formed. A thin film 20a is formed. Specifically, a silicon thin film 20a on which a silicon oxide film 11 is formed on a silicon substrate to be the substrate 10 is chemically cleaned and then placed in a vacuum deposition apparatus so that the substrate temperature is set to room temperature and Sn is added to the Ge thin film 20a. Is deposited. The film forming method may be sputtering, chemical vapor deposition, or the like in addition to vacuum deposition. In the above description, a silicon substrate is used as the substrate 10, but the substrate 10 may be a resin substrate such as a glass substrate, a PEN substrate, a PET substrate, a PI substrate, or a PC substrate. Further, instead of the silicon oxide film 11, a silicon nitride (SiN) film, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film, or the like may be used.

成膜されるSnが添加されたGe薄膜20aは、基板温度が常温で成膜されるため、アモルファス状態である。成膜されるSnが添加されたGe薄膜20aは、Snの組成が0.1at%以上、20at%以下であることが好ましい。また、Snが添加されたGe薄膜20aの膜厚は、10nm以上、1μm以下が好ましく、更には、20nm以上、200nm以下であることが好ましい。本実施の形態においては、形成されるSnが添加されたGe薄膜20aの膜厚は、約50nmである。   The Ge thin film 20a to which Sn is added is formed in an amorphous state because the film is formed at a room temperature. The Ge thin film 20a to which Sn is added, preferably has a Sn composition of 0.1 at% or more and 20 at% or less. Moreover, the film thickness of the Ge thin film 20a to which Sn is added is preferably 10 nm or more and 1 μm or less, and more preferably 20 nm or more and 200 nm or less. In the present embodiment, the thickness of the formed Ge thin film 20a to which Sn is added is about 50 nm.

次に、図1(b)に示すように、Snが添加されたGe薄膜20aにレーザ光をパルス照射する。すなわち、パルスレーザ光を照射する。具体的には、酸化シリコン膜11が形成されている基板10にSnが添加されたGe薄膜20aが成膜されたものをレーザ照射装置に設置し、レーザ光をパルス照射する。このように、Snが添加されたGe薄膜20aにレーザ光をパルス照射することにより、Snが添加されたGe薄膜20aは、瞬間的に溶融し、その後冷却されると、図1(c)に示されるように、結晶化し、Snが添加されたGe薄膜20pが形成される。このように結晶化したSnが添加されたGe薄膜20pの結晶状態は多結晶状態であり、半導体薄膜となる。本実施の形態においては、パルス照射されるレーザ光のビーム形状は、約360×850μm2であり、照射されるレーザ光のパルス幅は、約55nsである。Next, as shown in FIG. 1B, the Ge thin film 20a to which Sn is added is pulsed with laser light. That is, pulse laser light is irradiated. Specifically, a substrate 10 on which the silicon oxide film 11 is formed and a Ge thin film 20a to which Sn is added is formed in a laser irradiation apparatus, and laser light is irradiated in pulses. As described above, when the Ge thin film 20a doped with Sn is irradiated with a pulsed laser beam, the Ge thin film 20a doped with Sn is instantaneously melted and then cooled, as shown in FIG. As shown, a Ge thin film 20p crystallized and doped with Sn is formed. The crystal state of the Ge thin film 20p doped with Sn thus crystallized is a polycrystalline state, and becomes a semiconductor thin film. In the present embodiment, the beam shape of the laser beam irradiated with pulses is about 360 × 850 μm 2 , and the pulse width of the irradiated laser beams is about 55 ns.

尚、Snが添加されたGe薄膜20pにおいて、結晶の粒径を大きくするためには、Snが添加されたGe薄膜20aにレーザ光がパルス照射された際に、Snが添加されたGe薄膜20aの融点以上になっていることが好ましい。また、レーザ光をパルス照射する際、Snが添加されたGe薄膜20aが成膜されている基板10が設置されている雰囲気は、大気雰囲気であってもよく、不活性ガス(窒素、アルゴン等)の雰囲気であってもよく、真空中であってもよく、更には、純水雰囲気(純水中)であってもよい。   In order to increase the crystal grain size in the Ge thin film 20p to which Sn is added, the Ge thin film 20a to which Sn is added when the Ge thin film 20a to which Sn is added is irradiated with a pulsed laser beam. It is preferable that it is more than melting | fusing point. In addition, when the laser beam is pulse-irradiated, the atmosphere in which the substrate 10 on which the Ge thin film 20a to which Sn is added is formed is installed may be an air atmosphere, and an inert gas (nitrogen, argon, or the like) ) Atmosphere, in a vacuum, or a pure water atmosphere (pure water).

(純水雰囲気におけるレーザ光のパルス照射)
次に、純水雰囲気において、基板10等の上に形成されたSnが添加されたGe薄膜20aにレーザ光をパルス照射する方法について、図2に基づき説明する。純水雰囲気において、基板10等の上に形成されたSnが添加されたGe薄膜20aにレーザ光をパルス照射する際には、図2に示されるレーザ光照射装置が用いられる。具体的には、Snが添加されたGe薄膜20aが成膜されている基板10をXYステージ101の上に設置し、Snが添加されたGe薄膜20aが成膜されている基板10を覆うように純水102を流す。このように純水102を流した状態で、石英窓103を介して、レーザ光源104より、Snが添加されたGe薄膜20aに向けて、レーザ光をパルス照射する。
(Pulse irradiation of laser light in pure water atmosphere)
Next, a method of irradiating laser light to the Ge thin film 20a added with Sn formed on the substrate 10 or the like in a pure water atmosphere will be described with reference to FIG. In the pure water atmosphere, the laser beam irradiation apparatus shown in FIG. 2 is used when irradiating the Ge thin film 20a formed on the substrate 10 or the like to which the Sn thin film is pulsed with the laser beam. Specifically, the substrate 10 on which the Ge thin film 20a to which Sn is added is formed is placed on the XY stage 101 so as to cover the substrate 10 on which the Ge thin film 20a to which Sn is added is formed. Pour pure water 102 into the water. With pure water 102 flowing in this manner, laser light is pulse-irradiated from the laser light source 104 toward the Ge thin film 20 a to which Sn has been added through the quartz window 103.

(実験結果)
次に、本実施の形態における半導体薄膜の形成方法において、Snが添加されたGe薄膜20aに照射されるレーザ光の照射条件やSn組成等を変えて実験を行った結果について説明する。尚、図3、図4、図5は、図2に示されるように、純水中においてレーザ光をパルス照射した場合における実験結果である。
(Experimental result)
Next, in the method for forming a semiconductor thin film according to the present embodiment, the results of experiments performed by changing the irradiation conditions of the laser light irradiated on the Ge thin film 20a to which Sn is added, the Sn composition, and the like will be described. 3, 4, and 5 are experimental results when the laser beam is irradiated with pulses in pure water as shown in FIG. 2.

最初に、図3に基づき、Ge薄膜に添加されるSnの影響について説明する。図3は、Snが添加されたGe薄膜20aにパルス照射されるレーザ光のフルエンス(レーザフルエンス)と、結晶化率との関係を示す。尚、結晶化率は、顕微ラマン分光法により得られたスペクトルを非晶質成分と結晶成分に分離し、その面積比により算出した値である。   First, the influence of Sn added to the Ge thin film will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the relationship between the fluence (laser fluence) of the laser beam irradiated with pulses to the Ge thin film 20a doped with Sn and the crystallization rate. The crystallization rate is a value calculated by separating the spectrum obtained by microscopic Raman spectroscopy into an amorphous component and a crystal component and then comparing the area ratio.

図3に示されるように、Ge薄膜にSnが添加されていないもの(Sn含有なし)及びGe薄膜にSnが2at%添加されているもの(Sn:2at%含有)は、ともにレーザフルエンスが高くなると結晶化率も高くなっている。Ge薄膜にSnが添加されていないもの(Sn含有なし)の場合、レーザフルエンスが85mJ/cm2において、結晶化率0.85まで上昇する。しかしながら、これを超えるレーザフルエンスになると、Geの凝集が生じ、結晶化率は1.0にまでは到達しない。As shown in FIG. 3, the laser fluence is high for both the Ge thin film with no Sn added (without Sn) and the Ge thin film with 2 at% Sn added (Sn: containing 2 at%). Then, the crystallization rate is also high. In the case where Sn is not added to the Ge thin film (no Sn content), the crystallization rate rises to 0.85 at a laser fluence of 85 mJ / cm 2 . However, when the laser fluence exceeds this value, Ge aggregation occurs and the crystallization rate does not reach 1.0.

これに対し、Ge薄膜にSnが2at%添加されているもの(Sn:2at%含有)の場合、レーザフルエンスが190mJ/cm2から300mJ/cm2において、結晶化率1.0となっている。In contrast, those Sn to Ge thin film is added 2at% (Sn: 2at% content), the in the laser fluence 300mJ from 190mJ / cm 2 / cm 2, and has a crystallization ratio 1.0 .

即ち、Ge薄膜にSnを添加することにより、薄膜におけるレーザ照射による損傷を抑制することができ、レーザフルエンスの上限を高くすることができ、このように、レーザフルエンスを高くすることにより、薄膜における結晶化が促進される。尚、薄膜におけるレーザ照射による損傷とは、例えば、Geが凝集し、膜としての形態が維持されていない状態等である。   That is, by adding Sn to the Ge thin film, damage to the thin film by laser irradiation can be suppressed, and the upper limit of the laser fluence can be increased. Thus, by increasing the laser fluence, Crystallization is promoted. The damage to the thin film due to laser irradiation is, for example, a state where Ge is aggregated and the form as a film is not maintained.

尚、後述するように、レーザ光を大気雰囲気中で照射した場合、純水雰囲気中で照射した場合のいずれの場合についても、Ge薄膜にSnを添加することによる結晶化の促進は確認されている。   As will be described later, in both cases where the laser light is irradiated in the air atmosphere and in the pure water atmosphere, the crystallization is promoted by adding Sn to the Ge thin film. Yes.

図4は、Ge薄膜にSnが2at%添加されているもの(Sn:2at%含有)において、レーザフルエンスとSnが添加されたGe薄膜20pにおける多結晶の結晶粒径との関係について調べた結果を示すものである。尚、結晶粒径は、電子線後方散乱回折(EBSD:Electron Backscatter Diffraction)法により算出している。レーザフルエンスを増加させることにより、結晶粒径は約0.01μmから約1μmへと約100倍となっている。これは、Ge薄膜にSnを添加することにより、パルス照射されるレーザ光のレーザフルエンスを高くすることができるようになったからである。   FIG. 4 shows the result of examining the relationship between the laser fluence and the polycrystalline crystal grain size in the Ge thin film 20p to which Sn is added in the case where Sn is added to the Ge thin film (Sn: 2 at% contained). Is shown. The crystal grain size is calculated by an electron backscatter diffraction (EBSD) method. By increasing the laser fluence, the crystal grain size is increased about 100 times from about 0.01 μm to about 1 μm. This is because the laser fluence of the laser beam irradiated with pulses can be increased by adding Sn to the Ge thin film.

図5には、Ge薄膜に添加されているSnの含有量が異なるものについて、レーザフルエンスと多結晶の内部に含まれるSnの含有量との関係について調べた結果を示す。具体的には、試料としてGe薄膜にSnが2at%添加されているもの(Sn:2at%含有)、Ge薄膜にSnが5at%添加されているもの(Sn:5at%含有)、Ge薄膜にSnが10at%添加されているもの(Sn:10at%含有)を作製した。これらの作製されたSnが添加されているGe薄膜に、レーザ光をパルス照射した結果得られたものである。尚、多結晶の内部に含まれるSnの組成は、顕微ラマン分光測定により得られたGe−Ge結合のピーク位置の変化量から算出した。作製したすべてのSnが添加されたGe薄膜において、高いレーザフルエンスのレーザ光を照射すると、多結晶の内部に含まれるSnの組成が約2at%が近づいていく。これは、GeにおけるSnの固溶限界が2〜3at%であることによるものと考えられる。また、図5に基づくならば、Ge薄膜へのSnの添加量とレーザフルエンスを調整することにより、多結晶に含まれるSnの組成を所望の組成となるように調整することができる。   FIG. 5 shows the results of investigating the relationship between the laser fluence and the Sn content contained in the polycrystal for the different contents of Sn added to the Ge thin film. Specifically, the sample is a Ge thin film with Sn added at 2 at% (Sn: 2 at% contained), a Ge thin film with Sn added at 5 at% (Sn: 5 at% contained), a Ge thin film What added 10 at% Sn (Sn: containing 10 at%) was produced. These were obtained as a result of pulse irradiation of laser light to these prepared Ge thin films to which Sn was added. The composition of Sn contained in the polycrystal was calculated from the amount of change in the peak position of the Ge—Ge bond obtained by microscopic Raman spectroscopy. When all of the manufactured Ge thin films to which Sn is added are irradiated with a laser beam having a high laser fluence, the composition of Sn contained in the polycrystal approaches about 2 at%. This is considered to be due to the fact that the solid solubility limit of Sn in Ge is 2 to 3 at%. Further, based on FIG. 5, the composition of Sn contained in the polycrystal can be adjusted to a desired composition by adjusting the amount of Sn added to the Ge thin film and the laser fluence.

図6は、大気雰囲気において、Snが添加されたGe薄膜にレーザ光をパルス照射した場合における結晶化状態の変化を示すものである。また、図7は、純水雰囲気において、Snが添加されたGe薄膜にレーザ光をパルス照射した場合における結晶化状態の変化を示すものである。図6及び図7において、記号aは非晶質(アモルファス)状態を示すものであり、記号○は結晶化状態、即ち、多結晶状態を示すものであり、記号×はレーザ照射による損傷が生じたことを示すものである。大気雰囲気及び純水雰囲気のいずれの場合においても、Snを添加することにより、レーザ損傷が生じるレーザフルエンスを高くすることができるため、結晶化を促進することが可能である。   FIG. 6 shows a change in the crystallization state when a Ge thin film doped with Sn is pulsed with laser light in an air atmosphere. FIG. 7 shows changes in the crystallization state when a Ge thin film doped with Sn is irradiated with a laser beam in a pure water atmosphere. 6 and 7, symbol a indicates an amorphous state, symbol ○ indicates a crystallization state, that is, a polycrystalline state, and symbol x indicates damage caused by laser irradiation. It shows that. In both the air atmosphere and the pure water atmosphere, the addition of Sn can increase the laser fluence that causes laser damage, so that crystallization can be promoted.

発明者らは、Sn組成を0.1at%以上とすることにより、レーザ照射による損傷が発生するレーザフルエンスを高くすることができることを確認している。また、Sn組成が20at%以下であれば、Snを薄膜中に偏析させることなく、共晶系となることを確認している。即ち、Ge薄膜にSnを0.1at%以上、20at%以下添加することにより、パルス照射されるレーザ光のレーザフルエンスのマージンを広くすることができ、最適なレーザフルエンスでレーザ光をパルス照射することができる。これにより、最適なアニールをすることが可能となる。   The inventors have confirmed that by setting the Sn composition to 0.1 at% or more, the laser fluence that causes damage due to laser irradiation can be increased. Moreover, if Sn composition is 20 at% or less, it has confirmed that it becomes a eutectic system, without segregating Sn in a thin film. That is, by adding Sn at 0.1 at% or more and 20 at% or less to the Ge thin film, it is possible to widen the margin of the laser fluence of the laser light to be pulsed, and the laser light is pulsed at the optimum laser fluence. be able to. Thereby, it becomes possible to perform the optimal annealing.

図6に示されるように、大気雰囲気においてレーザ光の照射を行った場合には、レーザフルエンスの上限は、約200mJ/cm2である。これに対し、図7に示されるように、大気雰囲気においてレーザ光の照射を行った場合には、レーザフルエンスの上限は、約300mJ/cm2まで高くすることができる。As shown in FIG. 6, when laser light irradiation is performed in an air atmosphere, the upper limit of the laser fluence is about 200 mJ / cm 2 . In contrast, as shown in FIG. 7, when laser light irradiation is performed in an air atmosphere, the upper limit of the laser fluence can be increased to about 300 mJ / cm 2 .

次に、大気雰囲気及び純水雰囲気において、レーザ光をパルス照射した後の表面粗さを原子間力顕微鏡で測定した結果について説明する。この結果、大気雰囲気において、150mJ/cm2のレーザフルエンスでレーザ光をパルス照射した場合の表面粗さは、約30nmであった。これに対し、純水雰囲気中において、300mJ/cm2のレーザフルエンスでレーザ光をパルス照射した場合の表面粗さは、約10nmであった。即ち、純水雰囲気中においてレーザ光をパルス照射した場合には、大気雰囲気中においてレーザ光をパルス照射した場合よりも、表面粗さを小さくすることができる。Next, a description will be given of the results of measuring the surface roughness with an atomic force microscope after pulsed laser light irradiation in an air atmosphere and pure water atmosphere. As a result, the surface roughness when the laser beam was pulse-irradiated with a laser fluence of 150 mJ / cm 2 in an air atmosphere was about 30 nm. On the other hand, the surface roughness when the laser beam was pulse-irradiated with a laser fluence of 300 mJ / cm 2 in a pure water atmosphere was about 10 nm. That is, the surface roughness can be made smaller when the laser beam is pulse-irradiated in a pure water atmosphere than when the laser beam is pulse-irradiated in the air atmosphere.

よって、純水雰囲気においてレーザ光をパルス照射した場合には、大気雰囲気においてレーザ光をパルス照射した場合よりも、レーザ光の照射による損傷を抑制することができ、平坦性が高く、結晶化率の高い膜を形成することができる。従って、本実施の形態においては、レーザ光を照射する際の雰囲気は、大気雰囲気よりも純水雰囲気の方が好ましい。このように、純水雰囲気においてレーザ光をパルス照射することにより、表面平坦性と結晶性に優れた高品位な半導体薄膜を得ることができる。   Therefore, when laser light is pulse-irradiated in a pure water atmosphere, damage caused by laser light irradiation can be suppressed, flatness is high, and the crystallization rate is higher than when laser light is pulse-irradiated in the air atmosphere. High film thickness can be formed. Therefore, in the present embodiment, the atmosphere when irradiating the laser light is preferably a pure water atmosphere rather than an air atmosphere. As described above, a high-quality semiconductor thin film excellent in surface flatness and crystallinity can be obtained by irradiating a laser beam in a pure water atmosphere.

また、本実施の形態は、レーザ光をパルス照射するものであるため、Snの添加されたGe薄膜のみを瞬時に加熱することができる。従って、パルス照射されたレーザ光により生じた熱の影響を基板10等に殆ど伝えることなく、Snの添加されたGe薄膜を結晶化させることができる。このため、基板10は、シリコン以外にも、シリカガラス、PEN、PET、PC、およびPI等のうちのいずれかを含む樹脂材料により形成されたものを用いることができる。シリカガラスや上述した樹脂材料は、可視光領域において透明であるため、ディスプレイ等の用途に用いることができる。尚、これらの材料は、熱に弱いため、アニールを行う際に、Ge薄膜の結晶化させる際には熱アニール炉等は用いることができないが、本実施の形態における熱処理であれば、アニールをすることが可能である。   Further, in this embodiment, since the laser beam is irradiated with pulses, only the Ge thin film to which Sn is added can be instantaneously heated. Therefore, it is possible to crystallize the Ge thin film to which Sn is added without almost transmitting the influence of heat generated by the pulsed laser beam to the substrate 10 or the like. For this reason, the board | substrate 10 can use what was formed with the resin material containing either silica glass, PEN, PET, PC, PI, etc. besides silicon | silicone. Silica glass and the above-described resin materials are transparent in the visible light region, and thus can be used for applications such as displays. Since these materials are vulnerable to heat, a thermal annealing furnace or the like cannot be used for crystallization of the Ge thin film when annealing, but annealing is performed in the present embodiment. Is possible.

また、基板10は、半導体集積回路および半導体素子のいずれかを含んでもよい。例えば、基板10はシリコン基板上に半導体集積回路や半導体素子が形成されているものであってもよい。半導体集積回路や半導体素子では、配線や電極にAlやハンダ材料等が使われている場合があり、これらの材料は融点が低いため、Ge薄膜の結晶化させる際には熱アニール炉等は用いることは好ましくないからである。   The substrate 10 may include either a semiconductor integrated circuit or a semiconductor element. For example, the substrate 10 may be a substrate in which a semiconductor integrated circuit or a semiconductor element is formed on a silicon substrate. In semiconductor integrated circuits and semiconductor elements, Al and solder materials are sometimes used for wiring and electrodes, and these materials have a low melting point, so a thermal annealing furnace or the like is used to crystallize a Ge thin film. This is not preferable.

尚、上述した形成されるSnの添加されたGe薄膜20aの膜厚は、10nm以上、1μm以下であることが好ましく、更には、20nm以上、200nm以下であることが好ましい。Snの添加されたGe薄膜20aの膜厚が薄い場合、例えば、膜厚が10nm未満の場合には、結晶化が生じ難く微結晶状態となり結晶化が促進されないからである。また、Snの添加されたGe薄膜20の膜厚aが厚い場合、例えば、膜厚が1μmを超える場合では、薄膜の表面近傍のみが結晶化され、薄膜の深い領域においてはアモルファス状態のままとなるため、十分な半導体特性が得られないからである。   In addition, the film thickness of the Ge thin film 20a to which Sn is added as described above is preferably 10 nm or more and 1 μm or less, and more preferably 20 nm or more and 200 nm or less. This is because when the film thickness of the Ge thin film 20a to which Sn is added is thin, for example, when the film thickness is less than 10 nm, crystallization hardly occurs and the crystallized state is not promoted. Further, when the film thickness a of the Ge thin film 20 to which Sn is added is large, for example, when the film thickness exceeds 1 μm, only the vicinity of the surface of the thin film is crystallized, and the amorphous state is left in the deep region of the thin film. This is because sufficient semiconductor characteristics cannot be obtained.

また、Snの添加されたGe薄膜20aにパルス照射されるレーザ光の波長は、約193nm以上、約532nm以下であることが好ましい。パルス照射されるレーザ光の波長が、約193nmより短い波長である場合には、照射されたレーザ光が純水に吸収されるため、Snの添加されたGe薄膜20aに十分には照射されず、アニールをすることができない。また、パルス照射されるレーザ光の波長が、約532nmよりも長い波長である場合には、光照射アニールにおける結晶化の効率等が低下するからである。   In addition, the wavelength of the laser light that is pulse-irradiated to the Ge thin film 20a to which Sn is added is preferably about 193 nm or more and about 532 nm or less. When the pulsed laser beam has a wavelength shorter than about 193 nm, the irradiated laser beam is absorbed by pure water, so that the Ge thin film 20a to which Sn is added is not sufficiently irradiated. Unable to anneal. Further, when the wavelength of the laser beam irradiated with the pulse is longer than about 532 nm, the efficiency of crystallization in the light irradiation annealing is lowered.

また、上記においては、Snが添加されたGe薄膜の場合について説明したが、Geと同じIV族半導体であるSiについても適用可能である。即ち、Snが添加されていれば、Ge、Si、およびSiとGeが混合されているSiGe混合物等のうちのいずれかを含んでいても適用することができる。言い換えるならば、本実施の形態における効果は、SixGeySn1-x-yと記載した場合、0.001≦1−x−y≦0.2である半導体において得られる効果である。In the above description, the case of a Ge thin film doped with Sn has been described. However, the present invention can also be applied to Si, which is the same group IV semiconductor as Ge. That is, as long as Sn is added, any of Ge, Si, SiGe mixture in which Si and Ge are mixed, and the like can be applied. In other words, the effect in the present embodiment is an effect obtained in a semiconductor where 0.001 ≦ 1-xy ≦ 0.2 when described as Si x Ge y Sn 1-xy .

以上より、本実施の形態における半導体薄膜の形成方法においては、レーザ光がパルス照射されているため、形成された薄膜にのみ瞬時に熱エネルギを与えることができる。また、Ge、Si、SiGe等の薄膜には、Snを0.1at%以上、20at%以下添加されているため、薄膜における凝集を防ぎつつ、結晶化を促進することができる。   As described above, in the method for forming a semiconductor thin film in the present embodiment, since laser light is irradiated with pulses, thermal energy can be instantaneously applied only to the formed thin film. In addition, since Sn is added to a thin film of Ge, Si, SiGe or the like in an amount of 0.1 at% or more and 20 at% or less, crystallization can be promoted while preventing aggregation in the thin film.

よって、半導体薄膜が形成される基板に限定されることはなく、キャリア移動度が高く、かつ、表面平坦性に優れたGe、Si、SiGe等の高品質なIV族半導体薄膜を得ることができる。   Therefore, the substrate is not limited to the substrate on which the semiconductor thin film is formed, and a high-quality group IV semiconductor thin film such as Ge, Si, or SiGe having high carrier mobility and excellent surface flatness can be obtained. .

また、本実施の形態における半導体薄膜の形成方法では、純水雰囲気において、レーザ光をパルス照射した場合、パルス照射されたレーザ光により生じた熱は、薄膜の表面から純水に向けて熱拡散する。これにより、より多くの熱エネルギを薄膜に与えることができるため、半導体薄膜の結晶化をより一層促進することができる。   In the method for forming a semiconductor thin film in this embodiment, when laser light is pulse-irradiated in a pure water atmosphere, the heat generated by the pulsed laser light is thermally diffused from the surface of the thin film toward the pure water. To do. Thereby, since more thermal energy can be given to a thin film, crystallization of a semiconductor thin film can be promoted further.

上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。   The above description is intended to be illustrative only and not limiting. Thus, it will be apparent to one skilled in the art that modifications may be made to the embodiments of the present disclosure without departing from the scope of the appended claims.

本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書、及び添付の特許請求の範囲に記載される不定冠詞「1つの」は、「少なくとも1つ」又は「1又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。   Terms used throughout this specification and the appended claims should be construed as "non-limiting" terms. For example, the terms “include” or “included” should be interpreted as “not limited to those described as included”. The term “comprising” should be interpreted as “not limited to what is described as having”. Also, the indefinite article “a” or “an” in the specification and the appended claims should be interpreted to mean “at least one” or “one or more”.

Claims (10)

基板の上に、Ge、Si、およびSiGe混合物のうちのいずれかと、0.1at%以上、20at%以下のSnとを含有する薄膜を成膜することと、
前記薄膜にパルスレーザ光を照射することと
を含む半導体薄膜の形成方法。
Depositing a thin film containing any of Ge, Si, and a SiGe mixture on the substrate and Sn of 0.1 at% or more and 20 at% or less;
Irradiating the thin film with pulsed laser light.
前記薄膜に前記パルスレーザ光を照射することにより、前記薄膜をアモルファス状態から多結晶状態に変化させる
請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method of forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the thin film is changed from an amorphous state to a polycrystalline state by irradiating the thin film with the pulsed laser light.
前記基板は、ガラス基板である
請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the substrate is a glass substrate.
前記基板は、ガラス基板である
請求項2に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 2, wherein the substrate is a glass substrate.
前記基板は、半導体集積回路および半導体素子のいずれかを含む
請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the substrate includes any one of a semiconductor integrated circuit and a semiconductor element.
前記基板は、半導体集積回路および半導体素子のいずれかを含む
請求項2に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 2, wherein the substrate includes any one of a semiconductor integrated circuit and a semiconductor element.
前記基板は、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、およびポリカーボネートのうちのいずれかを含む
請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the substrate includes any one of polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, and polycarbonate.
前記基板は、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、およびポリカーボネートのうちのいずれかを含む
請求項2に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 2, wherein the substrate includes any one of polyethylene naphthalate, polyethylene terephthalate, polyimide, and polycarbonate.
前記薄膜への前記パルスレーザ光の照射は、純水中において行われる
請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein the irradiation of the pulsed laser light onto the thin film is performed in pure water.
前記パルスレーザ光の波長は、約193nm以上、約532nm以下である
請求項1に記載の半導体薄膜の形成方法。
The method for forming a semiconductor thin film according to claim 1, wherein a wavelength of the pulse laser beam is about 193 nm or more and about 532 nm or less.
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